水下爆炸与波浪载荷作用下船体结构动力计算研究

摘要

船舶在其整个的运营航行周期中，会受到各种外载荷的作用。按照载荷随时间变化快慢程度，可以分为静载荷和动载荷。对于同样幅值的两种载荷，动载荷的作用效果更为强烈，因此船舶在动载荷作用下的响应更需要对其关注和开展研究。本文对船舶所遭遇的典型动载——水下爆炸载荷和波浪载荷具有不同时间尺度的特点，对在这些载荷作用下船舶的弹性以及刚体响应进行研究。具体研究内容如下:
　　1.对水中三维结构的自由振动特性进行了研究。与传统方法将船体横剖面作为刚性平面计算其附加质量不同，考虑横剖面变形对流体附加质量的影响，采用边界元方法计算水中结构的三维附加质量矩阵，对水中三维结构的自由振动进行了计算。结果表明，三维的结构在水中的固有频率要比在空气中低20～25％，并且水中振型与空气中振型不同。随后，采用三维附加质量矩阵的方法对水中结构的尺度效应进行计算，结果表明水中结构的比例尺度效应与空气中一样符合弹性力相似规律。
　　2.对水下爆炸冲击波作用下船体弹性及刚体响应进行研究。首先采用在水下爆炸领域广泛应用的DAA方法，编制程序计算船体结构在水下爆炸载荷作用下的弹性响应。计算表明，船体迎爆面响应最大，但是最大响应并不出现在距爆点最近的位置，而是以距爆点最近的位置为中心，在距其一定距离处呈球面分布。然后，对水下爆炸冲击波作用下，船体刚体运动响应进行研究。推导出冲击波作用下船体刚体运动的理论计算方法，该方法可以在设计初期，船体参数较少的情况下，对船体响应进行计算评估。应用该方法计算一条小艇的运动响应，计算结果与实验结果比较吻合，验证了该方法的有效性。在此基础上，对船体剖面参数——宽度、吃水以及剖面形状对响应的影响进行了计算比较。结果表明对于冲击载荷不太大的情况，船体剖面B/T值越大，响应越大，但是当冲击载荷比较大时，增大剖面B/T值有可能使响应有所下降。剖面的形状对刚体运动响应的影响是钝角三角形剖面响应最大，半圆型剖面响应最小。
　　3.对水下爆炸气泡作用下船体的弹性及刚体响应进行了研究。将船体简化为船体梁，采用Vernon模型描述气泡，并考虑了气泡上浮效应、上浮阻力效应、水面效应和能量损失。求解气泡作用下船体梁的运动响应。计算表明，船体梁在气泡作用下，既有刚体位移，又有弹性变形。另外，如果不考虑气泡能量损失，可能会导致计算的船体梁的响应过高。在此基础上，对船体的细长程度即长宽比和刚体响应和弹性响应比例的关系进行了计算研究，计算结果表明，船体长宽比在10～11之间，船体所产生的鞭状运动的幅值最大，比较危险。
　　4.对波浪载荷作用下船舶的刚体运动响应情况，尤其是三体新船型给船舶在波浪中的运动响应计算带来了新的问题。三体船航速很高，其航行状态属于半滑行状态。高航速使得三体船航行姿态变化较大，另外，三体船主侧体之间存在自由面，会出现数值水动力扰动，在较高频段，出现实际不存在的异常峰值。为解决上述问题，首先在计算中以三体船航行姿态作为平衡位置，来解决高速航行姿态变化大问题;而对于数值水动力扰动，首先对其产生的机理进行分析，通过研究指出数值水动力扰动是由于脉动源方法计算三体船时产生“伪驻波”共振而产生的。通过在主船体与侧体之间的水面加入粘性项，来解决高频异常峰值问题。通过二维剖面的计算，表明该方法可以较好的解决高频异常峰值的问题。最后，对一个三体船模型的运动响应进行计算，并与实验结果进行比较。比较表明，计算与实验结果比较一致，较好的解决了数值水动力扰动与高航速运动预报误差大的问题。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 论文研究工作的背景和意义

1．2 课题的历史和现状

1．2．1 船舶及水中结构在水中动力特性研究的历史及现状

1．2．2 船舶在水下爆炸载荷作用下响应研究的历史及现状

1．2．3 船舶在规则波浪载荷作用下响应研究的历史及现状

1．3 本文的主要研究工作

1．3．1 动载荷作用下船舶响应研究存在的问题

1．3．2 本文的主要研究工作

2 船舶遭遇到的典型动载荷

2．1 水下爆炸及其载荷

2．1．1 水下爆炸概况

2．1．2 水下爆炸载荷半经验计算公式

2．2 波浪及其载荷

2．2．1 波浪概述

2．2．2 船舶运动计算所采用的波浪理论

2．2．3 水波基本理论及波浪载荷计算

2．3 本章小节

3 水中三维结构自由振动特性

3．1 概述

3．2 湿模态理论

3．3 流体附加质量矩阵

3．3．1 附加质量矩阵计算方法

3．3．2 附加质量矩阵计算验证

3．4 水中三维结构自由振动计算

3．4．1 二维附加质量方法

3．4．2 附加质量矩阵方法

3．4．3 二维及三维方法比较

3．5 不同尺度水中三维结构动力特性

3．5．1 大尺度三维结构动力特性计算

3．5．2 尺度效应比较研究

3．6 本章小结

4 非接触水下爆炸冲击波作用下船舶结构的响应

4．1 概述

4．2 冲击波作用下船体结构的弹性及刚体响应

4．2．1 冲击波作用下结构弹性响应

4．2．2 远场冲击波作用下船舶的刚体响应

4．3 本章小结

5 非接触水下爆炸气泡脉动作用下船体的响应

5．1 概述

5．2 水下爆炸气泡作用下船体响应的计算

5．2．1 船体梁模型

5．2．2 水下爆炸气泡及其诱导载荷计算

5．2．3 船体梁在水下爆炸气泡脉动作用下的受力

5．2．4 船体梁算例

5．2．5 气泡能量损失对船体梁响应计算的影响

5．2．6 船体主尺度对水下爆炸气泡作用下船体弹性及刚体响应的影响

5．3 本章小结

6 船舶在规则波浪作用下的运动响应

6．1 概述

6．2 常规船舶运动预报方法

6．2．1 坐标系

6．2．2 船舶运动受力

6．2．3 水动力计算

6．2．4 运动方程的建立

6．2．5 常规船舶在规则波中运动响应算例验证

6．3 三体船运动响应预报中的特殊问题及解决办法

6．3．1 三体船的航行姿态对运动预报的影响

6．3．2 主侧体间自由面对运动响应计算的影响

6．3．3 三体船航行姿态影响的解决办法

6．3．4 对数值水动力扰动的解决方法

6．3．5 三体船模型计算及与实验比较

6．4 三体船运动性能的特点及侧体位置对运动性能的影响

6．4．1 三体船与单体船运动性能比较

6．4．2 三体船侧体布局对运动性能的影响

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新意义研究

7．3 今后工作展望

参考文献

附录A STF切片法计算波浪中船体运动水动力系数

附录B 二维边界元方法计算刚体运动附加质量

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介